Новый расцвет Китая, как научной державы⁠⁠

Схема китайских созвездий Античности. Источник

https://www.viewofchina.com/ancient-chinese-cosmology/

https://za-neptunie.livejournal.com/336561.html

Китай является одной из древнейших мировых цивилизаций. Считается, что китайские астрономы составили первый астрометрический каталог звезд в истории. В дополнение китайские астрономы записали одни из первых сведений о новых и сверхновых звездах древности и проявлениях солнечной активности. В начале 15 века в Китае была создана крупнейшая неэлектронная энциклопедия в истории. Её размер составил 11 тысяч рулонов общим объёмом 40 кубических метров (примерно 370 миллионов иероглифов, что эквивалентно четверти миллиарда слов английского алфавита – это в 6 раз больше размера Британской энциклопедии (Британики)). Параллельно китайская научная школа отметилась изобретением компаса и пороха. В силу разных причин после 15 века Китай значительно отстал в развитии от европейских стран. Но в конце 20 века начался новый расцвет китайской промышленности и науки. Во многом он связан с тем, что после распада Британской Империи Китай стал самым населенным государством на планете.

В 2018 году на Китай приходилось 51% мировой выплавки стали и 46% мировой добычи угля. В связи с этим неудивительно, что в настоящее время Китай выходит на первые позиции и в области космических наук и технологий. В этом обзоре будут приведены основные текущие и будущие крупные научные проекты Китая.

Китай сравнительно поздно начал свою космическую программу, запустив свой первый спутник в 1970 году. По этому показателю он стал 5-ым в мире. С того времени Китай стремительно сокращал отставание от ведущих космических держав. В 21 веке Китай успешно осуществляет пилотируемую программу, став третьим государством в истории, которое выполнило самостоятельный запуск человека в космос. Сейчас Китай начинает создание своей первой многомодульной орбитальной станции.

Первая китайская орбитальная станция “Тянгунь-1” с пристыкованным пилотируемым кораблем серии “Шэньчжоу”

В области прикладной космонавтики недавно Китай завершил создание своей глобальной навигационной системы “Бэйдоу”. Подобные системы созданы только в США, СССР/России и Европе. Кроме того Китай осуществляет многочисленные запуски спутников дистанционного наблюдения и связи, уверенно выходя на второе место в мире по количеству активных спутников (на конец 2019 года у Китая 323 активных спутников против 1007 у США). Более того, в 2017 году Китаем был запущен первый космический аппарат для тестирования технологий квантовой телепортации.

https://www.weibo.com/tv/v/Iq2C4AEhH?fid=1034%3A446206552879...

В области космических носителей преимущество Китая ещё больше чем в области спутников. Так несколько последних лет Китай осуществляет большего всех запусков в космос (в 2019 году было 34 запуска против 22 и 21 у России и США). Также осуществляется программа по замене гептильных ракет на ракеты с экологическим топливом (керосин или водород). До недавнего времени китайские ракеты отличались небольшой массой полезной нагрузки (несколько тонн), но в последние годы создана РН “Великий поход-5”, которая по возможностям соответствует российской “Ангаре”. Кроме того ожидается, что в 2020 году в Китае начнутся орбитальные испытания первой китайской многоразовой ракеты (“Великий поход-8” с возможностью вертикальной посадки ступеней на морскую платформу).

https://ru.wikipedia.org/wiki/Мо-цзы_(спутник

Не отстаёт в развитии и межпланетная космонавтика Китая. Первой целью этого направления стала Луна. Китай запустил три спутника Луны (4-ая страна в мире) и мягкую посадку на Луну (3-я страна в мире). Более того, вторая посадка аппарата “Чаньэ-4” стала первой в мире посадкой на обратной стороне Луны. Для обеспечения работы этой сложнейшей миссии потребовалось запустить специальный спутник ретранслятор. Посадка на обратной стороне Луны имеет огромное значение в связи с тем, что эта область Луны обладает минимальными радиопомехами от земной цивилизации и магнитосферы Земли. В ближайшее время планируется первая китайская миссия по доставке грунта с Луны на Землю (в рамках одной из прошлых миссий Китая был отработан облет Луны с успешным возвращением спускаемого аппарата на Землю). После Луны целью китайских космических программ стали астероиды. В 2012 году лунный зонд “Чаньэ-2” совершил близкий пролет околоземного астероида (4179) Таутатис и получил снимки его поверхности с разрешением до 10 метров на пиксель.

Снимок лунохода “Чаньэ-4” с посадочной платформы на обратной стороне Луны

Планируется, что в нынешнем году начнется первая полноценная китайская миссия к Марсу (не считая неудачи полета китайского микроспутника в миссии “Марс-Фобос-Грунт”). Ожидается, что в ходе миссии 2020 году на орбиту Марса будет выведен аппарат для изучения атмосферы, а на поверхность совершит посадку небольшой марсоход.

В дальнейшем планируются ещё более амбиционные межпланетные миссии. Во-первых, будут запущены два аппарата с целью доставки грунта с Цереры и небольшого околоземного астероида. Первый проект называется GAUSS, второй носит название Zheng He. В ходе миссии Zheng He планируется выход на орбиту и забор грунта с околоземного астероида 2016 HO3. После доставки астероидного грунта зонда впервые совершит изучение кометы главного пояса 133P Эльст — Писарро, выйдя на орбиту вокруг ядра. Оба этих проекта будут беспрецедентны в истории мировой космонавтики, и для маневров будут использовать ионные двигатели.

https://arxiv.org/abs/1908.07731

Две другие будущие миссии Китая касаются изучения внешних областей Солнечной Системы вплоть до 85 астрономических единиц. Второй зонд этих миссий совершит второй в истории пролет Нептуна и одного из объектов пояса Койпера. Также существует проект миссии по выходу на орбиту Юпитера.

https://www.planetary.org/blogs/guest-blogs/china-voyager-li...

В области изучения Вселенной Китаем также осуществляется несколько важных проектов космических телескопов. В 2017 году был запущен рентгеновский телескоп HXMT. В будущем развитие китайской астрономии высоких энергий будут продолжены с помощью с обзорных рентгеновских и гамма- телескопов. В этом направлении будут осуществлены три проекта: SVOM (Space Multi-band Variable Objects Monitor) с участием Франции, Einstein Probe и GECAM (Gravitational Wave High-energy Electromagnetic Counterpart All-sky Monitor). Одной из основных задач всех трех вышеперечисленных будущих миссий называется наблюдение электромагнитных волн от гравитационно-волновых событий.

Примечание: Другой будущий проект китайской рентгеновской астрономии касается изучения нейтронных звезд (eXTP или X-ray Timing and Polarimetry mission).

Между тем, в Китае планируется наблюдение не только электромагнитного излучения событий гравитационных волн, но и регистрация самих гравитационных волн.

Во-первых, в Тибете продолжается сооружение массива субмиллиметровых телескопов AliCPT (Ali CMB Polarization Telescope) с целью регистрации первичных гравитационных волн от Большого взрыва (подобные волны ещё никогда достоверно не регистрировались).

Во-вторых, планируется сооружение многокилометрового подземного детектора ZAIGA (Zhaoshan long-baseline Atom Interferometer Gravitation Antenna).

В третьих ожидается запуск нескольких космических аппаратов в рамках проектов TianQin и Taiji, которые будут отслеживать своё положение в точках либрации с помощью лазерных лучей (на Западе подобный проект называется LISA). Как и Европа, Китай уже приступил к отработке технологий космической гравитационно-волновой антенны в космосе. 31 августа прошла года в космос отправился космический аппарат Taiji-1, на котором была получена точность лазерной интерферометрии в 100 пикометров (размер атома), а также продемонстрирована возможность измерения ускорения в одну десятимиллиардную от ускорения Земли (это эквивалентно ускорению от муравья, толкающего этот спутник).

20 декабря в космос отправился ещё один экспериментальный китайский спутник Tianqin-1, который продемонстрировал технологию точности удержания положения в космосе с точностью менее чем 1/400 миллионная доля от земного ускорения. Подобное ускорение эквивалентно ускорению от зевка человека. Этот показатель лучше, чем у европейского спутника GOGE (для него точность удержания положения составила 1/300 миллионная доля от земного ускорения). Кроме того отмечается, что измеренная точность удержания положения китайского спутника составила 30 нанометров (1/4000 от толщины человеческого волоса). Этот показатель лучше по сравнению с похожей европейской миссией (40 нанометров у LISA).

Одновременно китайские астрономы осуществляют крупные проекты в области поисков темной материи. В Тибете несколько лет осуществляет работу крупный подземный детектор PANDA c 580 килограммами ксенона, а на орбиту в 2015 году отправлен космический детектор DAMPE (Dark Matter Particle Explorer). Последний стал первым космический телескопом Китая, если не считать небольшого УФ-телескопа на первом китайского луноходе.

https://za-neptunie.livejournal.com/294903.html

Другим направлением современной физики элементарных частиц стало строительство огромных ускорителей частиц. Сейчас крупнейший из них находится в Европе. Он называется БАК (Большой Адронный Коллайдер), представляющий собой туннель длиной в 27 километров. Планируется, что к 2040 году в Китае будет построен ещё более крупный кольцевой ускоритель с окружностью в 100 километров (название проекта CEPC или Circular Electron Positron Collider). Энергия ускорения протонов в CEPC должна достичь 100 ТэВ, что в 7 раз больше чем у БАК. Стоимость нового ускорителя составит не меньше 5 миллиардов долларов.

Радиоастрономия стала ещё одним триумфом китайской астрономии. После сооружения нескольких крупных поворотных радиотелескопов с диаметром до 70 метров на юго-западе страны начал работать 500-метровый неподвижный радиотелескоп FAST. Этот телескоп стал крупнейшим радиотелескопом в истории радиоастрономии, до него этот рекорд удерживал 300-метровый радиотелескоп в обсерватории Аресибо на острове Пуэрто-Рико.

Кроме того на западе страны планируется построить и крупнейший полноповоротный радиотелескоп QTT (QiTai radio Telescope) диаметром в 110 метров. Сейчас этот рекорд принадлежит 105-метровому радиотелескопу в американском штате Вирджиния (он называется GBT или Robert C. Byrd Green Bank Telescope). Планирует Китай и космические радиотелескопы. Так на трех аппаратах лунной миссии “Чаньэ-4” были установлены дипольные антенны для наблюдения радиоволн очень низкой частоты из ранней Вселенной, а также изучения гравитационного поля Луны. В будущем планируется создание сети из нескольких радиотелескопов миллиметрового диапазона.

Ещё одним направлением китайской науки стало изучение Солнца и солнечно-земных связей. Планируется, что в ближайшие годы в Китае будет построен крупнейший наземный солнечный телескоп с диаметром сегментированного зеркала в 8 метров (эффективная площадь зеркала будет эквивалента 5-метровому телескопу). Проект называется CGST (Chinese Giant Solar Telescope). Для сравнения сейчас крупнейшим наземным телескопом является 4-метровый телескоп DKIST (Daniel K. Inouye Solar Telescope) на Гаваях. Этот телескоп позволяет делать изображения диска Солнца с пространственным разрешением в 30 километров. Одновременно осуществляется изучения солнечно-земных связей и из космоса. В начале 21 века Китай запустил два магнитосферных спутника проекта “Двойная звезда”, а в ближайшие годы планирует вывести солнечную обсерваторию ASO-S (Advanced Space-based Solar Observatory) и магнитосферный зонд SMILE (Solar wind Magnetosphere Ionosphere Link Explorer).

До недавнего времени возможности оптической астрономии Китая ограничивались несколькими устаревшими телескопами диаметром до 2 метров. Но в начале 21 века в Китае был введен в строй 4-метровый обзорный спектроскопический телескоп LAMOST, который в настоящее время удерживает рекорд по количеству полученных спектров звезд (за 5 лет наблюдений опубликовано почти 9 миллионов спектров):

https://za-neptunie.livejournal.com/317460.html

В дальнейшем ожидается создание в Китае ещё более амбициозных проектов обзорных оптических телескопов:

Проект 2-метрового обзорного телескопа CSS-OS на будущей многомодульной космической станции (площадь поля зрения 1.1 квадратный градус)

Проект 12-метрового обзорного телескопа LOT в Тибете (ширина поля зрения 1.5 угловых градусов). Проект дополнит 6.5-метровый телескоп с полем зрения шириной в половину углового градуса.

Проект 2.5-метрового обзорного ИК-телескопа KDUST с шириной поля зрения в 2 угловых градусов, который будет установлен в Антарктиде на Плато А. Сейчас в Антарктиде работают несколько небольших китайских телескоп с целью поисков транзитных планет.

Проект 1.2-метрового космического телескопа STEP с шириной поля зрения в 0.44 угловых градусов, предназначенного для астрометрического поиска экзопланет у 200 ближайших звезд FGK-типа в радиусе 20 парсек. Аппарат предлагается запустить во вторую точку либрации для 5-летней миссии.

https://za-neptunie.livejournal.com/15547.html

Проект 1.6-метрового обзорного телескопа MEPHISTO (Multi-channel Photometric Survey Telescope) с полем зрения в 3.1 квадратных градусов и 1 гигапиксельной матрицы. Проект во многом аналогичен австралийскому телескопу Skymapper:

http://www.lamost.org/meetings/The-Milky-Way-2019/191016/19y...

В сентябре прошлого года в Бразилии прошла конференция BRICS-2019. В докладе Roberto Soria на этой конференции сообщается ещё о двух проектах новых обзорных телескопов Китая. В ходе первого из этих проектов планируется создание 2.5-метрового обзорного телескопа с полем зрения шириной в 3 угловых градусов и 0.9-гигапиксельной матрицей:

Планируется, что за 6 лет работы новый обзорный телескоп покроет северное небо до 25 звездной величины:

Стоимость нового телескопа 1/50 от стоимости телескопа LSST , что говорит примерно о 20 миллионах долларов.

Второй проект SiTian ещё более амбициозен. Он заключается в создание системы из более сотни наземных метровых телескопов.

Основная часть телескопов будет размещена в Китае:

По характеристикам новая система приблизиться к LSST:

Но её стоимость будет примерно в 3 раза дешевле:

Планируется снизить стоимость проекта за счет установки sCMOS-матриц, которые отличаются от CCD-матриц меньшей ценой (в связи с этим они широко используются в сотовых телефонах):

http://www.icehap.chiba-u.jp/amon2019/slides/15.XianZhong_ZH...

Другими преимуществами этих матриц является небольшое время считывания (за счет меньшего КПД в регистрации фотонов света):

Для системы метровых телескопов будет дополнительно построена система 4-метровых телескопов для подтверждения обнаруженных транзиентов:

Несложно посчитать, что полторы сотни метровых телескопов SiTian со 150 миллиардами пикселей будут генерировать огромное количество данных, которое примерно на порядок превышает количество данных телескопа LSST. В результате этого система SiTian приблизит оптическую астрономию к радиоастрономии и физике элементарных частиц по объему собираемых данных:

Слайды с конференции BRICS-2019

http://ftp.lna.br/brics19/arq15.pptx

http://lnapadrao.lna.br/eventos/brics-astronomy-working-grou...

Для сравнения объем Википедии равен 570 ТВ, а объем всех данных в Интернете к 25 году составит 163 зеттабайт (ЗБ).1 ЗБ равен миллиону петабайт или миллиарду терабайт.

Кроме того Китай принимает многие ненужные известные телескопы западных стран. В частности 1-метровый телескоп Шмидта из Европейской Южной Обсерватории со знаменитой камерой QUEST, на которой группой М. Брауна было открыто большинство крупнейших объектов пояса Койпера (Эрида, Макемаке, Хаумеа, Оркус, Седна, Кваовар) и небольшой субмиллиметровый телескоп с Гавайских островов.